中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-023）———通讯波段的高性能钠基等离激元纳米激光器

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工作简介

         ——通讯波段的高性能钠基等离激元纳米激光器

微型半导体激光器兼具小体积、高调制速度和低功耗的优势，一直是半导体光电器件领域的核心研究方向。但是，常规半导体激光器微型化受限于光学衍射极限，其特征尺寸只能至光波长量级。等离激元纳米激光器突破了这一瓶颈，可实现深亚波长尺度的光场局域，高于100 GHz的调制速度和低于10 fJ 量级的单位比特功耗。然而，等离激元的激发伴随着金属的吸收损耗。目前常用的贵金属材料优化已接近其理论极限，制约了等离激元纳米激光器性能的进一步提升。

针对这一问题，南京大学-北京大学联合研究团队另辟蹊径，聚焦碱金属钠，发展了液态金属可控冷却旋涂技术，结合金属-绝缘体-半导体间隙等离激元模式的优化设计，首次制备出了高质量的金属钠-InGaAsP量子阱复合微结构并实现了近红外通讯波段纳米激光室温激射。理论计算和实验结果表明，钠的吸收损耗只有单晶银的一半不到。低损耗的钠基等离激元结构有效地增强了光与物质相互作用，在室温下，钠基等离激元纳米激光器的阈值仅为140 KW/cm²，创造了通讯波段同类纳米激光器阈值新低。同时，得益于有效的封装保护，该器件在大气环境下6个月后仍然保持了良好的工作性能。

图1. 钠基等离激元结构制备工艺(a)、品质因数(b)，以及钠基等离激元纳米激光器场分布(c)与室温激射阈值特性(d)。

相关成果由南京大学、北京大学等多家单位合作完成，于2020年5月28日以“Stable and high-performing sodium-based plasmonic devices in the near-infrared”为题，在线发表于《自然》（Nature）上。研究生汪洋、于健宇、毛逸飞与陈绩为并列第一作者，朱嘉教授、马仁敏研究员、周林副教授、祝世宁院士为论文的通讯作者。

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主要作者简介

通讯作者朱嘉，南京大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。

朱嘉教授长期从事基于微纳结构的光热调控领域的研究。在Nature、Nature系列、Science系列、PNAS、National Science Review等国际高影响力学术期刊发表论文100余篇，他引超过9000次，授权专利10项，受邀在国际会议及世界著名学府做过70多场大会、特邀专题报告。英国皇家化学学会会士，杂志Nanophotonics的责任编辑。曾获陈嘉庚青年科学家奖（2018）、美国光学学会青年科学家奖（2017）、江苏省五四青年奖章（2017）、杜邦青年教授奖（2016）、饶毓泰基础光学奖优秀奖（2016）、麻省理工技术评论全球青年创新人物奖（2016）等。

通讯作者马仁敏，北京大学研究员，博雅青年学者。

2009年获北京大学博士学位，2009年至2014年在加州大学伯克利分校任博士后，之后加入北京大学任教。

马仁敏研究员的研究兴趣包括激光物理与器件、纳米光子学、光与物质的相互作用、非厄米和拓扑光子学。发表了50多篇论文，其中11篇发表在《科学》、《自然》及其子刊上，2篇发表在《物理评论快报》上。曾获全国百篇优秀博士学位论文奖，2018年中国光学十大进展，2018年美国物理学会Physics十大进展。

通讯作者周林，南京大学现代工程与应用科学学院副教授，国家优秀青年基金获得者。

周林副教授聚焦金属-介质复合微结构中的光传输、耦合效应和能量转换等问题，研究方向和兴趣为等离激元光子学与热超构材料。共发表学术论文60余篇，其中以第一或通讯作者在Nature、Nature Photonics、Nature Materials、Science Advances、PNAS、National Science Review等重要期刊发表论文近30篇。

通讯作者祝世宁，教授，博士生导师，中国科学院院士，美国物理学会会士（APS fellow），美国光学学会会士（OSA fellow），中国光学学会会士。

祝世宁教授长期从事微结构功能材料和物理、非线性光学、激光物理与量子光学方面的研究，在微结构材料的设计、制备、性能表征、新效应研究和器件研制方面取得系统成果，作为主要完成人之一所完成的“介电体超晶格的设计、制备、性能与应用”项目获2006年国家自然科学一等奖。2019年获江苏省首届“基础研究重大贡献奖”。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2306-9

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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